Li-ion-batterijbrand is moeilijk efficiënt te bestrijden

Geïmpacteerde bus laten uitbranden en depot vrijwaren

Verschenen in Personenvervoer, nr. 2, april 2022

Lees ook: Onbereikbare batterijen bemoeilijken blussen van elektrische bussen, E-bussen buiten parkeren, Voorkomen van brand in een battery-pack, Veiligheid van chauffeur en reizigers is prioriteit, Geïntegreerd blussysteem, brandleidingen en ‘first responder key’, Iedereen informeren en adequaat reageren

Lithium-ion-batterijen bevatten enorm veel energie en tekenen daardoor voor het succes van elektrische bussen. Daar tegenover staat dat de impact bij brand enorm is omdat er geen snelle en efficiënte oplossingen zijn om die brand te bestrijden. Een uitgekiende inrichting van het busdepot en tal van preventiemaatregelen kunnen het onheil beperken tot de bus waarin de batterij het liet afweten.

“De problematiek van lithium-ion-batterijbranden is bekend en wordt ook herkend en erkend, maar er zijn tot op heden geen pasklare oplossingen om dergelijke branden te bestrijden”, zegt Arjan ten Broeke, business development manager bij Johnson Controls, Fire Suppression Products (Tyco). “Omdat het risico groter is, heeft men het risiconiveau voor parkeergarages verhoogd binnen de sprinklervoorschriften. Sprinklerinstallaties en actieve blussystemen moeten krachtiger zijn om de omvang van de brand te beperken tot de brandweer het kan overnemen. Hoe groter het voertuig, hoe meer batterijen, hoe groter het risico. Preventief, organisatorisch en op het vlak van actieve brandbestrijding moet je het anders aanpakken”.
“Drie zaken zijn cruciaal”, stelt zijn collega Nordin M’Rabet, account manager engineered fire suppression. “Je moet tijd creëren om mensen te kunnen evacueren. Je moet een veilige interventiemogelijkheid voorzien voor de brandweer en je moet voorkomen dat de brand overslaat naar andere voertuigen of gebouwen. Bovendien komen er rookgassen vrij die veel giftiger en schadelijker zijn dan bij een gewone brand waardoor ademhalingsmaskers noodzakelijk zijn”.

Arjan ten Broeke Johnson Controls — Arjan ten Broeke (Johnson Controls): “De beschikbare blussystemen voor brandstofmotoren zijn alleszins niet efficiënt bruikbaar voor li-ion-batterijen”.

Nordin M'Rabet Johnson Controls — Nordin M’Rabet (Johnson Controls): ““Het is bovendien bijzonder moeilijk om een brand te detecteren in batterijbussen”.

Falende of beschadigde batterij

Brand ontstaat wanneer de li-ion-batterij faalt of beschadigd geraakt op één of andere manier, geeft Nordin M’Rabet aan. “Een eerste mogelijke oorzaak is een fysieke beschadiging omdat de batterij wordt beschadigd, wordt ingedeukt bij een verkeersongeval of door een schok. Dergelijke, fysieke, beschadiging gebeurt veel sneller dan je denkt. Wanneer een li-ion batterij in het chassis wordt geplaatst, blijft het – ondanks een beveiligde omkadering – aanbevolen om voorzichtig over drempels te rijden. Ook wanneer een e-bus in de flank wordt aangereden ter hoogte van de batterijen valt een effect niet uit te sluiten. Beschadiging van de weliswaar verstevigde hoogspanningskabels in chassis en koetswerk kan zich eventueel verderzetten tot in de batterij ”.
“Een tweede mogelijkheid is dat er wat is fout gelopen in het productieproces van de batterij, en dat de flinterdunne folie in de batterijcellen heeft geleden onder trillingen of contaminatie; zo’n batterijbrand ontstaat uit ‘zelfontbranding’ zonder enige voorafgaande indicatie of externe aanleiding. Een derde optie is dat er brand uitbreekt tijdens het laden of ontladen omdat een elektronisch onderdeel faalt of er kortsluiting ontstaat. Een batterijmanagementsysteem bewaakt weliswaar het evenwicht tussen de verschillende batterijcellen maar het wordt problematisch wanneer één cel sneller ontlaadt dan andere cellen”.
Alle voornoemde incidenten leiden tot oververhitting en veroorzaken een kettingreactie. Het elektrolyt verdampt, zet uit en laat de batterij zwellen waardoor het omhulsel scheurt en breekt. De verdampte, licht ontvlambare en toxische elektrolyten ontsnappen. Omdat de cellen kunnen opwarmen tot 700°C beginnen materialen te branden. Wanneer de ontsnapte gassen vuur vatten, kan er steekvlam ontstaan. Cellen kunnen ontploffen en kunnen door de verzengende hitte andere cellen aansteken. Deze zogenaamde ‘thermal runaway’ voltrekt zich razendsnel”.

MAN LIon's City E batterijpakket — Een vlotte bereikbaarheid van het batterijpakket is essentieel om een batterijbrand snel en efficiënt te kunnen bestrijden.

Onbereikbare batterij

Het risico op een ernstige brand wordt bepaald door de al dan niet vlotte bereikbaarheid van de batterij. Je moet de vuurhaard immers in de batterij kunnen afkoelen en doven. Om een batterijbrand in een elektrische auto te blussen heb je heel veel water nodig; precies daarom wordt zo’n wagen 24 uren of langer in een waterbak gedumpt. Voor een brand in een e-bus zou je ter plaatse moeten snellen met tankwagens die meer dan 100.000 liter water vervoeren. Omdat dergelijke aanpak weinig realistisch is, suggereert Nordin M’Rabet dat busconstructeurs in hun elektrische voertuigen brandleidingen zouden inbouwen die tot aan de batterijpakketten komen en waarop de brandweer van buitenaf blusmateriaal kan aansluiten.
Omdat het gebruikte bluswater door de chemische stoffen in de li-ion-batterij zwaar wordt vervuild, moet de brandweer het gecontamineerde bluswater opvangen en vermijden dat het in de riolering of in de ondergrond terecht komt.
“De beschikbare blussystemen voor brandstofmotoren zijn alleszins niet efficiënt bruikbaar voor li-ion-batterijen. Zij zullen de brand iets vertragen, wat kan helpen om personen veilig te evacueren. Zover bekend zijn er tot op heden geen volwaardige geteste oplossing om Li-ion-batterijbranden te bestrijden”, beklemtoont Arjan ten Broeke. “Door F500-blusschuim toe te voegen aan het bluswater kan je het bluswater efficiënter maken. Je verlaagt daarmee de oppervlaktespanning van het water waardoor het gemakkelijker indringt en efficiënter afkoelt. Door de toevoeging verlaagt de kooktemperatuur van 100°C naar 70°C waardoor het sneller verdampt en de brandhaard sneller energie verliest. Wij hebben reeds testen gedaan met vrijstaande, bereikbare li-ion-batterijen. Het probleem bij e-bussen, maar ook bij andere e-voertuigen, is dat de li-ion-batterijen zich in een gesloten, waterdicht, compartiment bevinden. Wanneer zij in het chassis zijn verwerkt, kan je er ook niet bij”.

Geen efficiënt detectiesysteem

“Het is bovendien bijzonder moeilijk om een brand te detecteren in batterijbussen”, vult Nordin M’Rabet aan. “Het begint in die afgesloten batterijkoffer. Sensoren van het batterijmanagementsysteem meten weliswaar de temperatuur in alle cellen en waarschuwen voor oververhitting. Omdat die oververhitting al optreedt na een tiental graden is een efficiënte tussenkomst onmogelijk. Het detecteren van rookgassen kan ook, maar dergelijk systeem reageert naar verhouding eveneens veel te laat. Om een li-ion-batterijbrand te voorkomen, moet je reageren bij de allereerste tekenen van batterijfalen. Daarvoor moet je de ‘off-gassen’ kunnen meten die ontstaan tijdens de verdamping van het elektrolyt. Die ‘off-gassen’ vormen zich een tiental minuten voor het begin van de brand. Omdat de li-ion-batterijen luchtdicht zijn verpakt, geraken die ‘off-gassen’ ook niet tot bij een eventueel geplaatst detectiesysteem”.
“Van zodra de ‘thermal runaway’ is ingezet, is die moeilijk te stoppen. Omdat de accu onbereikbaar is, blijft er niets anders over dan de e-bus gecontroleerd te laten uitbranden. Dat gebeurt best in een open, afgescheiden en geïsoleerde omgeving die is voorzien van een actief blussysteem. Zo kan je vermijden dat de brand overslaat naar andere voertuigen of gebouwen en kan je de continuïteit van het busbedrijf veilig stellen”, aldus nog Nordin M’Rabet en Arjan ten Broeke.